锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

春节前，PCauto和GeekNEV的同事驾驶6辆新能源汽车在广州和武汉之间进行了一次“智驾千里”的春节长途旅行。

其中，纯电动车型在南方冬季平稳高速巡航条件下的实际电池寿命约为NEDC标称电池寿命的50-60%。

 

 

如果北方媒体进行纯电续航测试，这个比例会更低。因此，我们可以发现，新能源汽车的实际电池寿命与外界温度有着非常强的相关性。当夏天室外温度过热时，动力电池需要冷却，车内需要打开空调。

当冬天室外温度过低时，需要对动力电池进行加热，并且需要在车内打开加热器。今天，让我们来看看关于电池加热的一些事情：

 

为什么你需要让电池保持温暖

目前，所有新能源汽车都配备了锂离子电池组，包括纯电动纯电动、PEHV插电式混合动力、REEV增程、HEV非插电式混动、FCV氢燃料电池，锂电池对温度非常敏感，温度忽冷忽热，很快就会充放电。

一般来说，锂离子电池的最佳工作温度在20℃左右。例如，MEB平台的动力电池恒温设定为23℃。如果电池温度由于外部世界的冷却而下降太多，则电池的正极材料的活性降低。

 

在电池内移动的锂离子数量减少，带电离子在正极和负极材料中扩散和移动的能力变差，电能传输速度降低，带电离子不能顺利移动，电池充放电性能下降。

低温不仅影响充放电效率，还会因低温锂沉淀产生锂枝晶，影响电池的循环寿命，甚至使电池提前报废。从下面的“SoC电压”坐标图中可以看出，

 

极端低温-30°C和超低温-20°C时的放电曲线非常陡峭。在-30°C时，只有20-60%的SoC可用，在-20°C时只有15-80%的SoC可使用。电压变化非常大。

由于电池充放电的化学反应会产生热量，在非极端低温环境下，工作几十分钟后的电池可以依靠自身的热量维持温和舒适的“体温”。

然而，处于冷启动状态的动力电池无法依靠自身的热量来抵御外界的寒冷冬季。此时，我们需要为电池设计绝缘措施。

在这里，以中国为例。由于中国的土地面积如此之大，南北跨度较长，这对动力电xia池的绝缘策略提出了不同的要求，也使它们形成了“南方铁锂/北方三元”电池技术路线格局。

 

下图是磷酸铁锂的电压曲线。标称电压仅为3.2V（其他动力锂电池为3.7V），铁锂非常冷。

 

 

在中国北方，1月份的平均温度低于0°C，因此在冬季使用配备磷酸铁锂的电动汽车的效果并不令人满意。Model 3磷酸铁锂版本的车主应该感受最深，他们的电动汽车在冬季与三元锂版本的差距有点大。

 

主流电池绝缘策略

在冬季寒冷的地区，电池组自身产生的热量不足以维持正常的工作温度。汽车公司基本上使用以下六种解决方案来解决低温问题：

 

无源绝缘

简单地说，它是位于电池、模块和电池组三个级别的外壳本身，以及支撑的隔热装置。

绝缘材料必须考虑许多因素，如它必须是热的不良导体，必须阻燃，必须绝缘，最好防水防尘，并能承受高温和低温，材料成本不应太高，重量应更轻…

通常，气凝胶被释放在电池组内部用于隔热，但气凝胶更有趣。它是世界上密度最低的固体（低至0.003g/cm2），大部分是气体。绝缘热传导，美国国家航空航天局在20世纪90年代爱上了这种新材料。

Lyriq的Ultra Energy平台还发布广告称，其自己的气凝胶隔热材料可以阻挡600℃热浪的影响。

 

 

云母也是一种很好的隔热材料。岚图此前发布的“云母电池”使用“云母+气凝胶”解决方案进行隔热。另一种材料被称为“Telite”，这是一种改性泡沫材料，也用于隔热，是一种相对较新的材料。

在这些材料的包裹下，电池单体自身产生的热量可以使电池处于更舒适的充电和放电状态。尽管被动隔热材料是一种相对“古老”的方法，但它是动力电池的必备配置，即使是简单的新能源也会包裹在某种隔热材料中。

此外，工程师们还开发了一种电阻/液体/外部热源系统，我稍后会在它不起作用时提到，但这些主动隔热系统很长一段时间都不起作用。当温度足够时，电源将自然断开。此时，电池组的内部仍然需要依靠被动隔热材料来控制温度。

 

电阻加热系统

你用过“快速加热”吗？就是这样。

然而，传统的“热速”成本很低，而且没有任何防护设备，相当于小学生手中的RPG火箭发射器。

通常有两种类型的用于动力电池的电阻加热系统。常用的一种被称为PTC热敏电阻（正温度系数），它是一种半导体电阻器，其电阻随着温度升高而增加（如下）。

 

 

另一种是加热膜，它是金属或硅基的，现在有导电颗粒添加到聚合物有机材料中以制成加热膜。这些薄膜会附着在电池附近，加热效果比PTC更均匀，体积更小（只有2mm那么薄）。

 

 

还有一种使用“珀耳帖效应”的加热装置，它的热效率更高，但尚未大规模生产。之前有读者问过，如果用功耗来加热电池，电池寿命会不会更低？问得好。我们之前说过，电池在超低温下的充放电性能将降低50%或更多。如果我只使用5-10%的功率来加热电池，让它恢复30%的功率，这是盈利吗？这是一个简单的事实，供暖系统不需要一直工作。当温度几乎相同时，留给电池在后半段工作的自生热量是为了保持体温。

先前MEB平台的温度控制装置，下图中的加热部分使用PTC热敏电阻（红盒，一大一小）和可选热泵（蓝色框架），冷却部分使用R744空调压缩机组（蓝色框架，相同）。

 

 

为什么有两个PTC加热装置？大的一个在车厢里，为汽车供暖；小的在前舱，给电池加热。两个设备独立后，可以按需加热，能耗更低。

 

 

由于PTC的存在，即使在-10°C的低温环境中，ID产品也可以在1小时内充电到近80%。

 

液体加热系统

在上一篇文章中，我们讨论了液体冷却解决方案。液体可以带走热量（液体冷却）或带来热量（液体加热），因此，它可以在液体冷却动力电池的基础上改为冷热两种温度控制系统。

 

 

液体加热解决方案实际上是“PTC+液体循环系统”（相当于电热水器）的组合，通过PTC加热电池组中的液体，然后通过液体循环将热量传递到每个电池组。

 

 

与纯PTC加热方案相比，“PTC+液体循环系统”加热更均匀，可以更好地保证电池的一致性，延缓容量下降的速度，降低热失控的概率，提高循环寿命。

未来，浸没式液体加热解决方案可能会大规模生产，传热效率会更高。

 

外部热源加热

事实上，它使用内燃机通过燃烧化石燃料来加热电池组来产生热量。一个典型的例子是可以安装在WM电机EX5上的“极地电加热系统”

事实上，它是一台小型单缸活塞内燃机。它使用燃油效率更高的柴油，在-30°C以下的极低温环境中非常有用。

 

 

这个系统的工作过程也相当简单。容量为6L的小油箱中充满柴油，柴油燃烧后的热量用于加热电池的液体回路中的液体介质，液体介质加热电池。如果每天启动后需要加热约1小时，6L柴油足以维持1个月以上。

 

 

外部热源加热系统的优点是不需要消耗电池本身的功率来加热电池。

 

脉冲自加热

脉冲自加热系统是最近才大规模生产的。比亚迪和长安都在开发这项技术。其中，比亚迪一对一排列电池模块，用电池组1给电池组2充电，然后用电池组2给电池组1快速充电，并快速左右跳跃。

因为电池在低温下的内阻很大，脉冲充电会产生热量，热量在电池内部，不会有传递损失。

 

 

目前还没有关于长安脉冲自加热系统的信息。

 

热泵

近年来，热泵在新能源汽车领域越来越受欢迎。它们使用液-气相变来交换热量。

 

 

外面和里面是一个蒸发器，它使气体液化并释放热量；车外有一个冷凝器，用来蒸发液体以吸收热量；该泵用于压缩气体。

基于全球环境保护的需要，各国正在逐步禁止R134a作为汽车空调的制冷剂。

主要的替代制冷剂是R1234yf或CO2（R744）。在标准大气压下，CO2的沸点低于R134a和R1234yf的沸点，因此在寒冷天气下加热效率更高。此外，二氧化碳制冷剂是最环保、完全无毒的，不需要回收用于后续使用。

 

 

热泵的效率远高于PTC加热的效率，但热泵的功率并不高。我之前看到过MEB平台的拆卸，在极低温度的情况下，热泵空调和PTC会协同工作，在温升足够后，耗电的PTC会停止工作。

 

 

本节的最后两句是：保温和隔热是两个独立的项目，具有很强的相关性。为了安全，隔热是必须的。保温性能越强越好；但隔热性能越强越好。

高纬度用户当然希望电池的隔热性能充分，但如果低纬度用户的电池温度过高，冷却装置的性能和成本也会增加，否则夏季热量将无法顺利排出。

 

冬季电池绝缘和其他汽车用品

智能预热功能

在低温充电时，电池内部的活性物质非常惰性，一般来说，只能通过涓流充电。在这个时候，用大电流充电是非常危险的。电子控制不佳的新能源汽车在北方冬季快速充电时可能面临风险。

然而，新能源汽车的动力是非常宝贵的。当车辆静止时，加热装置不会一直启动以保持蓄电池温度。如果你突然想旅行或突然连接电网充电，

冷启动电池会遇到超低温故障，从功率大幅下降，到无法启动或生产锂枝晶以缩短循环寿命。

目前，中高端新能源汽车将配备电池预热功能。在您的APP预约使用车辆之前，打开电池加热设备进行预热，甚至提前打开座舱加热器。

 

如何高效充电

毫无疑问，露天停车场的温度远低于地下室的温度。因此，如果你是纯电动车主，你可以在露天和地下室之间进行选择，请先选择地下室（地下室停车费过高的情况除外）。

由于冬季温度较低，充电速度不仅很慢，而且在超低温下充电时电池很容易损坏。在地下室下，不仅温度更高，充电速度也可以提高，电池安全也有保障。

在冬天，融化的雪会浸泡充电设备。如果您在不熟悉的公共充电桩上操作，您可能希望戴上一副塑料绝缘手套（或可以套在冷手套上的超大绝缘手套）。

一方面，它不会弄脏你的手或棉手套，另一方面，可以防止触电。中国公共设施的维护令人担忧，相关部门或营利机构的管理不力。因此，充电桩的日常使用仍然非常严重，并且绝缘不到位。

此外，冬季充电普遍较慢，许多公共充电桩使用“一桩多线”充电车位。由于“一堆多线”会分割一部分电量，因此在充电时，不妨选择两个充电枪都空闲的桩位充电，这样可以缩短充电时间。

 

温度一致性

当电池出厂时，一致性会有差异，稍后会通过电子控制进行平衡。

冷却系统和加热系统也会在后期给电池带来一致性问题。

无论是气体、液体还是固体传热，传热通道中都必须有最热点和最冷点。这两点以上的细胞将具有完全不同的老化速率。过热/冷却的电池会很快老化，容量下降得更快，后期电压不足。

 

不同类型的电力系统

所有新能源汽车都配备了动力电池。其中，纯电动汽车拥有最大的动力电池，没有其他动力系统。因此，它们最害怕冬天的低温，需要消耗自己的电力来保暖。

PHEV插电式混合动力汽车（中型电池）、REEV增程混合动力汽车、HEV非插电式混动汽车（小型电池）都配备了内燃机，因此无需过多考虑冬季的低温问题。

FCV氢燃料电池汽车也需要保温，因为动力系统安装在一个小型动力电池中作为能源中心，因此也存在保温问题。

 

切勿剧烈驾驶

低温放电会像低温充电一样伤害电池，而那些配备电加热系统或外部热源的纯电动汽车也不能幸免。

因为当汽车冷启动时，加热系统还没有进入状态，电池内部的温度仍然很低。此时，不要剧烈驾驶。即使是不能顺利冷启动的汽油车，在冬季也是低能耗的。

此外，由于冬季行驶，车内外都需要加热，车外后视镜加热、后窗加热线、空调加热器、座椅加热等部件会消耗大量电力。此时，如果你不按照标准的操作模式驾驶汽车，耗电量将远远超过你想象的速度。

 

结论

因此，在购买电池时，要注意该地区冬季的温度是否超过电池的工作温度范围。如果你在冬季温度较低的地方，可以购买带有上述保温装置的低温锂电池。